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IGBT的開關(guān)特性是通過對(duì)門極電容進(jìn)行充放電來控制的，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用＋15V的正電壓對(duì)IGBT進(jìn)行開通，再由-5V…-8V…-15V的負(fù)電壓進(jìn)行關(guān)斷。門極電容的充放電速度可以通過控制門極電阻來實(shí)現(xiàn)，所以我們可以通過門極電阻來調(diào)整IGBT開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性，如圖1所示。 圖1 IGBT門極控制示意圖 門極電阻可以影響IGBT的開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、反偏安全工作區(qū)（RBSOA）、短路安全工作區(qū)（SCSOA）、EMI、dv/dt、di/dt和續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流等。所以需要根據(jù)不同的應(yīng)用條件謹(jǐn)慎地選擇最優(yōu)門極電阻，比如不同的IGBT芯片特性、二極管特性、開關(guān)頻率、損耗要求、系統(tǒng)雜散電感、直流母線電壓和驅(qū)動(dòng)能力等，一個(gè)完整的IGBT門極電阻選型需要綜合考慮以上各種因素。 IGBT開關(guān)特性與門極電阻的關(guān)系 外部門極電阻RG會(huì)影響IGBT的開關(guān)特性。IGBT的開關(guān)過程就是對(duì)門極輸入電容的充放電過程，輸入電容在開關(guān)過程中是變化的，而門極電阻可以通過限制門極脈沖電流（IG）的幅值來控制IGBT開通和關(guān)斷的時(shí)間，如圖2所示。 圖2 IGBT開通和關(guān)斷時(shí)的門極電流示意圖 圖3 IGBT開關(guān)損耗和開關(guān)時(shí)間與門極電阻RG的關(guān)系 減小門極電阻時(shí)需要考慮大電流快速開關(guān)帶來的di/dt問題。過大的di/dt會(huì)通過回路雜散電感產(chǎn)生很高的電壓尖峰，這個(gè)尖峰電壓可由公式（1）得出： 這種電壓尖峰可以在IGBT的關(guān)斷波形中觀察到，如圖4所示，陰影部分的面積代表對(duì)應(yīng)的開關(guān)損耗。過大的瞬時(shí)電壓尖峰疊加在IGBT的集電極和發(fā)射極上有可能損壞IGBT，尤其是在短路工況時(shí)，大電流關(guān)斷IGBT會(huì)引起很大的di/dt。通常增大門極電阻可以減小Vstray，降低IGBT過壓失效的風(fēng)險(xiǎn)。 圖4 IGBT開通與關(guān)斷波形 在半橋拓?fù)渲?，需要在上下橋臂開關(guān)切換之間加入互鎖和死區(qū)時(shí)間，這時(shí)需要考慮門極電阻對(duì)開關(guān)時(shí)間的影響。比如較大的關(guān)斷電阻RG(off)會(huì)延長(zhǎng)IGBT的下降時(shí)間，這樣實(shí)際的死區(qū)時(shí)間就有可能大于設(shè)置的最小死區(qū)時(shí)間，引起橋臂直通。 過快的開關(guān)速度帶來更高的dv/dt和di/dt，會(huì)造成更惡劣的EMI環(huán)境，實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)對(duì)控制電路等產(chǎn)生干擾。圖5描述了di/dt與門極電阻大小的關(guān)系。 圖5 IGBT開通關(guān)斷過程中di/dt與門極電阻的RG的關(guān)系 表1描述了IGBT開關(guān)特性與門極電阻變化的關(guān)系。 表1 IGBT開關(guān)特性和門極電阻的關(guān)系
續(xù)流二極管的開關(guān)特性同樣受到門極電阻的影響，它限制了允許的最小門極開通電阻RG(on)。這意味著IGBT的開通速度不能一味加快，它必須和配套使用的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)特性相匹配。此外過大的IRRM也會(huì)增加續(xù)流二極管反向恢復(fù)損耗。圖6描述了續(xù)流二極管的反向恢復(fù)峰值電流IRRM隨著換流速度diF/dt的增大而增大，而diF/dt的大小是由IGBT的開通電阻RG(on)來控制的。 圖6 續(xù)流二極管反向恢復(fù)峰值電流與diF/dt和RG的關(guān)系以及續(xù)流二極管的反向恢復(fù)特性 在賽米控的IGBT模塊中，常配合使用經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)和優(yōu)化的CAL（Control Axial Lifetime）續(xù)流二極管，它具有較軟的反向恢復(fù)特性，可以減小反向恢復(fù)電流從而降低IGBT開通損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗。 驅(qū)動(dòng)輸出形式與門極電阻的配置 門極驅(qū)動(dòng)電路的輸出極一般使用兩個(gè)MOSFET組成圖騰柱的形式。兩個(gè)MOSFET由同一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是高電平時(shí)，N溝道MOSFET開通，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是低電平時(shí)，P溝道MOSFET開通，這兩個(gè)MOSFET構(gòu)成一個(gè)推挽輸出。圖7列舉了幾種常見的電阻連接方式，包含對(duì)稱和非對(duì)稱的門極控制。 圖7 IGBT門極電阻連接形式 門極電阻的選型經(jīng)驗(yàn) 門極電阻的選型原則是達(dá)到最優(yōu)的開關(guān)特性，包括較低的開關(guān)損耗、IGBT模塊沒有振蕩、較低的續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流、以及對(duì)最大dv/dt和di/dt的控制。以下是門極電阻選型中的一些經(jīng)驗(yàn)：
最大門極電流的限制 最小門極電阻確定了最大門極峰值電流。增大門極峰值電流能減小開關(guān)時(shí)間，從而降低開關(guān)損耗。但最大的門極峰值電流又受限于驅(qū)動(dòng)的輸出能力。驅(qū)動(dòng)的規(guī)格書中一般會(huì)定義最大門極電流輸出能力，即定義了最小允許的門極電阻，應(yīng)用中應(yīng)考慮這個(gè)因素避免驅(qū)動(dòng)過載失效。實(shí)際測(cè)試中，門極電流可能會(huì)比理論計(jì)算小一些，這是因?yàn)镮GBT內(nèi)置門極電阻RG(int)和門極回路雜散電感的存在。RG(int)在IGBT規(guī)格書中會(huì)標(biāo)明。圖8給出了門極電流波形和峰值電流的理論計(jì)算公式。 圖8 IGBT門極電流 門極電阻峰值功率校核 門極電阻在工作過程中需要持續(xù)承受脈沖電流，因此門極電阻還需要滿足脈沖功率的要求。一個(gè)方法是通過圖9計(jì)算出脈沖功率， 然后查閱電阻規(guī)格書的相關(guān)圖表進(jìn)行比較判斷。
圖9 門極電阻脈沖功率的校核 門極電阻的類型 門極電阻本身需要滿足一定的性能要求，具備一定特征才能保證在脈沖載荷下長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。表2列舉了門極電阻需具備的一些主要特征以及合適的封裝。 表2 門極電阻的特征
門極電阻的布局 基于門極電阻的工作特性，建議將電阻并聯(lián)使用。一方面這種冗余設(shè)計(jì)可以在某個(gè)電阻失效時(shí)整個(gè)驅(qū)動(dòng)還能暫時(shí)運(yùn)行，只是開關(guān)損耗會(huì)增大。這時(shí)每個(gè)并聯(lián)電阻的耗散功率和峰值功率都要按照應(yīng)用中最大門極電流來設(shè)計(jì)。另一方面并聯(lián)使用電阻可以改善熱的分布，利于散熱。 門極電阻工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，需要注意不能讓其過分加熱PCB上附近放置的元器件，因此在布局時(shí)需要給門極電阻設(shè)計(jì)一個(gè)足夠大的散熱面積。特殊情況下甚至可以考慮在PCB上使用合適的金屬散熱器來獲得更好的散熱效果。圖10是一個(gè)帶散熱面積的門極電阻并聯(lián)布局設(shè)計(jì)。
圖10 門極電阻并聯(lián)PCB布局 門極電阻應(yīng)該盡量靠近IGBT模塊門極，過長(zhǎng)的距離會(huì)在門極-發(fā)射極回路造成較大的電感，結(jié)合IGBT門極的輸入電容特性，會(huì)組成一個(gè)LC電路。這個(gè)LC電路在某個(gè)參數(shù)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)振蕩，可能會(huì)出現(xiàn)超過允許值的門極電壓。這種振蕩可以通過選用一個(gè)遠(yuǎn)大于最小諧振值的門極電阻來抑制，可以通過公式（2）計(jì)算：
常見問題排查 表3列出了實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)的可能與門極電阻有關(guān)系的一些問題，這有助于我們分析查找原因。 表3 常見問題排查
參考文獻(xiàn)： 1. M. Hermwille, Semikron AN-7003 'Gate Resitor - Principle and Application' |
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